第一作者：刘慧敏
通讯作者：陈元彩研究员
通讯单位：华南理工大学
论文
DOI: 10.1016/j.watres.2023.120431
近日，华南理工大学陈元彩研究员课题组在
Water Research
上发表了题为
“FDH/Hases-S-chain mediated
electron redistributing in
Citrobacter freundii JH
@FeS during
degradation of sulfamethoxazole and nitrate”
的研究论文（
DOI:10.1016/j.watres.2023.120431
），探究了
FDH/Hases
短链介导
Citrobacter freundii JH
@FeS
在磺胺甲恶唑和硝酸盐复合污染降解过程中的电子再分布特性。研究人员发现
Citrobacter freundii JH
菌体通过原位合成
FeS
生物纳米粒子，可激活
SMX
的生物降解，且硝酸盐可进一步提高其效能，明晰了此过程中基于
CoQ-
长链和
FDH/Hases-
短链的细胞内
/
细胞外电子转移以及能量代谢机制
。
在本研究中，
Bio-FeS
通过增强短链
FDH/Hases
的胞内电子传递和胞外电子输出，有效缩短
/
再分配从细胞内到细胞外的电子转移路径。另一方面，硝酸盐能够增加胞内电子的消耗（
NAD
+
/NADH
），促进
CoQ-
长链的胞内电子传递以补偿与
SMX
的电子竞争。结构方程模型解析了基于
FDH/Hases-
短链的增强电子转移，及
PMF
介导的
ATP
合成的潜在
SMX
降解机制的关联
。
针对自然水体中复合污染处理难的问题，本研究利用
Citrobacter freundii JH
原位合成生物
FeS
，并用于同步去除水体中的
SMX
和硝酸盐。通过分析基于
CoQ-L
链和
FDH/Hases-S
链的细胞内
/
细胞外电子转移以及能量代谢机制，研究了
Bio-FeS
介导的
SMX
和硝氮去除性能。此外，建立
NADH
、电子转移和输出以及跨膜质子梯度之间的潜在相互作用关系，阐明
Bio-FeS
调控机制
。
Bio-FeS
强化
SMX
和
NO
3
-
-N
的降解
Fig. 1.
Specific degradation rate
of NO3--N (a) and SMX (b)
.
Fig. 2.
SMX (a) and NO3--N (b) degradation by the separated
cell fractions
.
Bio-FeS
激活了
Citrobacter freundii JH
对
SMX
的降解，其降解速率在添加硝酸盐后进一步增加。通过氨苄青霉素的生物抑制实验证明
SN-FeS
系统中生物降解占主导作用。
Bio-FeS
对
SMX
降解的激活与胞外降解有关，且
SMX
和硝酸盐的降解取决于呼吸链的效率
。
依赖于
NADH
的电子产生和输出
Fig. 3.
Effect of bio-FeS and
nitrate on NAD
+
/ NADH and NADH levels (a), the activities of FDH and
ETS (b)
.
Fig. 4.
Electrochemical
analysis of
C. freundii JH
@bio-FeS: Linear sweep voltammetry curves (a),
Electrochemical impedance spectroscopy (b), Electron donor capacity measurement
(c), and response current in I-t curves (d)
.
Bio-FeS
提高了碳代谢的电子生成和消耗能力，硝酸盐的添加促进了
NADH
和
NAD
+
间的转化，显著提高了细胞内电子的消耗。相应地，在
SN-FeS
系统中观察到最高的
FDH
和
ETSA
活性，
FDH
促进
NADH
再生，同时有效地提高胞内电子传递链的活性。电化学
LSV
和
EDC
实验证明
Bio-FeS
强化了供电子能力，并在添加硝酸盐后进一步提高，
EIS
实验说明
C. freundii JH
@FeS
具有更好的导电性，有利于促进微生物界面和溶液界面上的电荷转移。
I-t
曲线证实硝酸盐上调了电子输出，而输出的电子转向
SMX
细胞外降解
。
基于
FDH/Hases-S-chain
和
CoQ-L-chain
的电子再分布
Fig. 5.
Differential pulse
voltammetry (DPV) analysis of native C. freundii JH and C.freundii JH@bio-FeS:
forward scan (a), reverse scan (b)
.
Fig. 6.
Inhibition ratios of
different respiratory chain inhibitors for SMX degradation
.
Fig. 7.
The correlation
analysis with ipc-FDH/Hases and NADH level by C. freundii JH@bio-FeS, (a) NO
3
-
-N,
(b) SMX.
通过
DPV
实验揭示了
Bio-FeS
充当连接闲置载体蛋白的电子导管，加速了氧化还原载体的分泌和电子的输出。相比较
CoQ-L-chain
，
Bio-FeS
主要提高了基于
FDH/Hases-S-chain
的电子传递。进一步结合相关性分析和呼吸抑制实验证明，硝酸盐主要通过加强
CoQ-L-chain
的电子转移，弥补了硝态氮与
SMX
同步降解中对电子争夺，促进
SMX
的生物降解。
Bio-FeS
介导的能量代谢
Fig. 8.
ATPase activities
(a), and inhibition ratios of SMX/NO3--N under different conditions: DCCD (b)
and CCCP (c).
Bio-FeS
可以促进
ATP
水解，同时建立与
ATP-F
0
组件平行的质子通道促进
ATP
合成；并通过提高细胞内氧化磷酸化水平以加强质子跨膜转运和促进能量代谢。硝酸盐促进电子转移驱动的质子输出，导致建立更大的
PMF
，进而促进
ATP
合成。
结构方程模型分析
Fig. 9.
Structure equation
models of biochemical indexes for SN-FeS (a), S-FeS (b) and SN-native (c)
systems. Numbers near to lines are the standardized pathway coefficients. The
width of lines denotes the strength of the pathway coefficients.
结构方程模型结果显示，
Bio-FeS
提升胞内底物磷酸化水平以促进
ATP
合成，为
SMX
的降解提供更多的能量。
ATP
产生的能量通过
ATP
结合转运蛋白将胞内有毒化合物泵出生物膜，有利于去除有害的
ROS
并保持
SMX
降解的微生物活性。上述正反馈机制的循环最终扩大了电子的细胞外输出，有效地实现
SMX
的胞外降解。进一步证实尽管硝酸盐是
SMX
的竞争性电子受体，但它也通过补偿来源于
NADH
的电子供给，增加质子泵通量
(
依赖于
CoQ-
长链
)
刺激
ATP
合成，从而正向调节了
SMX
的降解。
自然界中抗生素、硝态氮以及金属离子普遍共存，该工作加深了对生物纳米颗粒通过电子转移
/
再分布解毒并强化抗生素在自然生态环境中生物降解机理的理解，为揭示
FDH/Hases
短链介导
Citrobacter freundii JH
@FeS
在磺胺甲恶唑和硝酸盐复合污染降解过程中的电子重新分布的原因，理解
NADH
、电子转移和输出以及跨膜质子梯度之间的关系。这项研究拓宽了我们对
Bio-
FeS
介导的微生物电子转移和能量代谢的认知，并有望推广在复合污染物原位修复中的应用
。
刘慧敏
，硕士，华南理工大学环境与能源学院。研究方向为
POPs
生物纳米粒子处理技术，废水生物脱氮处理技术及电化学处理技术，在
Water Research, Bioresource Technology
上以一作身份发表学术论文两篇。
陈元彩
，华南理工大学环境与能源学院研究员。主要研究方向为
POPs
生物纳米粒子处理技术，废水生物脱氮处理技术及电化学处理技术等。近年来承担了国家水专项、国家自然科学面上基金六项，广东省产学研重大专项，广州市协同创新重大专项等多项重大课题研究，以及多项省部级及企业项目。此外作为主要参与者参与了国家重点研发、
973
项目，国家自然科学联合基金，广东省重大应用等项目。获由美国科学院在休斯顿举办的第四届环境科学与技术大会（
2008
年）年轻科学家论文奖，
2023
年日本生物技术协会优秀论文奖，获广东省科学技术奖二等奖
1
项、三等奖
1
项。申请及获批国家发明专利
20
余件，发表国内外高水平论文
200
余篇。
联系邮箱：
chenyc@scut.edu.cn
。
Huimin Liu, Dejing Liu, Yuancai Chen*, FDH/Hases-S-chain
mediated electron redistributing in Citrobacter freundii JH@FeS during
degradation of sulfamethoxazole and nitrate, Water Research, 2023, 120431
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135423008710
